Czarne dziury i tunele czasoprzestrzenne od dawna są znanym atrybutem wielu filmów science fiction i seriali telewizyjnych, w których podróżnicy kosmiczni używają ich do natychmiastowej podróży po Wszechświecie. Co to są czarne dziury i tunele czasoprzestrzenne, jak prawdopodobne jest podróżowanie w czasie i przestrzeni? Jaka niesamowita prawda ukazana jest w filmach science fiction? Tak powiedzieli rosyjscy fizycy z uniwersytetów „Projektu 5-100”.
Co to jest czarna dziura?
Fizycy nazywają czarną dziurę obszarem czasoprzestrzeni o tak silnej grawitacji, że żadna materia, energia czy informacja (w tym światło) może opuścić ten region, gdy się do niego dostanie. Czarna dziura jest ograniczona w przestrzeni horyzontem zdarzeń: granicą czarnej dziury, poza którą żaden obiekt ani promieniowanie nie może uciec. Zatem obserwatorzy poza czarną dziurą nie mogą uzyskać żadnych informacji o tym, co się w niej dzieje.
Zgodnie z ogólną teorią względności geometrię czarnych dziur opisują równania Einsteina, wiążące metrykę zakrzywionej czasoprzestrzeni z właściwościami materii, która ją wypełnia, a grawitacja jest przejawem krzywizny czasoprzestrzeni - powiedział profesor z Edukacyjno-Naukowego Instytutu Grawitacji i Kosmologii Uniwersytetu Przyjaźni Ludów w Rosji (Uniwersytet RUDN) Kirill Bronnikov.
„Naukowcy teoretycznie opisali wiele odmian czarnych dziur. Różnią się obecnością lub brakiem rotacji, ładunkiem elektrycznym i innymi możliwymi parametrami. Uważa się, że czarne dziury mogą powstać w wyniku zapadania się dość masywnych gwiazd na końcowym etapie ich ewolucji lub w wyniku fluktuacji supergęstej materii we wczesnym Wszechświecie”- powiedział.
Według niego nie można zobaczyć czarnej dziury, ponieważ obserwator zewnętrzny nie może otrzymać żadnych informacji bezpośrednio z horyzontu zdarzeń. Dlatego czarna dziura może objawiać się tylko pośrednio - przez krzywiznę promieni świetlnych przechodzących w pobliżu, przez promieniowanie elektromagnetyczne z otaczającej materii wpadającej do niej itp.
Naukowcy wciąż nie rozumieją, czym są wewnętrzne obszary czarnych dziur, ukryte pod horyzontem zdarzeń. Zgodnie z większością modeli czarnych dziur w ogólnej teorii względności muszą one mieć „osobliwości” - punkty, linie lub powierzchnie o nieskończenie dużych wartościach krzywizny czasoprzestrzennej, a także gęstości i ciśnienia materii. Jednak wielu badaczy uważa, że w rzeczywistości tak nie może być.
Film promocyjny:
„Tutaj stajemy przed granicą stosowalności naszych klasycznych idei czasoprzestrzeni i wkraczamy w nieznany obszar kwantowej teorii grawitacji, który nie został jeszcze zbudowany” - zauważył Kirill Bronnikov.
Mówił o możliwości istnienia innego rodzaju czarnej dziury - tak zwanego „czarnego wszechświata”. Z zewnątrz może wyglądać jak każda inna czarna dziura. Jednak obserwator, który wniknął w nią, przekraczając horyzont zdarzeń, wpada nie w osobliwość, ale w nowy rozszerzający się wszechświat.
Szukam czarnych dziur
Na początku 2019 roku zakończono program obserwacyjny naziemnego interferometru Radioastron, którego rozdzielczość jest kilka tysięcy razy większa niż słynnego teleskopu kosmicznego Hubble. „Radioastron” to kilkadziesiąt najpotężniejszych naziemnych radioteleskopów oraz obserwatorium kosmiczne, połączone za pomocą specjalnych algorytmów w wirtualną „czaszę” o średnicy znacznie większej niż nasza planeta.
Radioastron pozwolił rosyjskim astronomom znaleźć wyraźne obserwacyjne wskazania na istnienie w centrum galaktyki OJ287 w konstelacji Raka pary supermasywnych czarnych dziur, które obracają się w niewielkiej odległości od siebie - powiedział szef laboratorium zajmującego się podstawowymi i stosowanymi badaniami relatywistycznych obiektów we Wszechświecie Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii (MIPT) Yuri Kovalev.
„Nasze obserwacje dobrze pasują do przewidywań modelu podwójnej czarnej dziury OJ287. W przyszłości, używając milimetronowego interferometru przestrzeni naziemnej, planujemy badać przy krótszych falach cienie i sąsiedztwo czarnych dziur w naszej i innych galaktykach. Pomoże również przetestować teoretyczne zrozumienie istnienia innych obiektów - „tuneli czasoprzestrzennych” - powiedział.
Tunele do innych wymiarów
„Wormholes” (angielski odpowiednik nazwy - tunele czasoprzestrzenne) to najbardziej intrygujące obiekty we Wszechświecie, o których istnieniu przekonują naukowcy. Są to konfiguracje czasoprzestrzeni w postaci pewnego rodzaju tuneli między odległymi regionami naszego Wszechświata, a nawet między różnymi wszechświatami.
„Tunele czasoprzestrzenne są podobne do czarnych dziur, ponieważ są zlokalizowanymi obiektami o wystarczająco silnej grawitacji i zakrzywieniu przestrzeni. Jednak w przeciwieństwie do czarnych dziur nie posiadają „pułapki” - horyzontu zdarzeń, dlatego teoretycznie pozwalają nie tylko na „wejście”, ale także „wyjście”. Oznacza to, że możesz je przejrzeć i wrócić”- powiedział Sergei Rubin, profesor z National Research Nuclear University MEPhI (NRNU MEPhI).
Pomimo faktu, że tunele czasoprzestrzenne nie są sprzeczne z ogólną teorią względności i są przewidywane przez niektóre teorie kosmologiczne, prawdziwi kandydaci do roli takich obiektów są nadal nieznani. Ponadto tunele czasoprzestrzenne implikują bardzo nietypową geometrię czasoprzestrzenną, której utrzymanie wymaga materii o egzotycznych właściwościach (na przykład o ujemnej gęstości energii).
„Odkrycie tuneli czasoprzestrzennych w przyrodzie lub ich stworzenie w laboratorium oznaczałoby prawdziwą rewolucję w fizyce czasoprzestrzeni” - podkreślił naukowiec.
Siergiej Rubin nie podziela przekonania astronoma Heino Falkego, że ostatnie zdjęcia czarnej dziury w centrum galaktyki M87, uzyskane w ramach projektu Event Horizons Telescope, mogą potwierdzić istnienie tuneli w strukturze czasoprzestrzeni. Dla ostatecznych wniosków nie ma wystarczającej dokładności pomiaru.
Jednocześnie teoretyczne koncepcje dotyczące tych obiektów pomagają naukowcom lepiej zrozumieć naturę czasoprzestrzeni i grawitacji.
Jak dostać się do wormholu?
Nie wszystkie filmy science fiction o tunelach prowadzących do innych wymiarów są dalekie od współczesnych teorii naukowych - mówi profesor Bałtyckiego Uniwersytetu Federalnego im. Immanuela Kanta (IKBFU) Artem Yurov.
„W filmie Interstellar informacje o czarnych dziurach i dodatkowych przestrzeniach są zgodne z ideami naukowymi. Nie jest to zaskakujące, ponieważ doradcą naukowym filmu był laureat nagrody Nobla fizyk czarnej dziury Kip Thorne. To on tchnął nowe życie w ideę istnienia tuneli czasoprzestrzennych - powiedział.
Według Artema Yurova, chociaż prawa fizyki dopuszczają tunele czasoprzestrzenne, nie mogą powstać same. Jednak mogłaby je zbudować cywilizacja niezwykle rozwinięta pod względem technicznym i naukowym.
„Nie powinno to być zaskakujące, w końcu samochód Toyota nie może pojawić się spontanicznie, nawet jeśli trzeba czekać dziesiątki miliardów lat - trzeba go wyprodukować” - powiedział.
Dzisiaj fizycy myślą o możliwości powstania tuneli czasoprzestrzennych, które nie rozpadają się szybko, a także o tym, jak zrobić je na tyle duże, aby nawet cząsteczki mogły się tam zmieścić i nie zapadać.
„Jest hipotetycznie możliwe przesłanie ludzkiego genomu przez tunel czasoprzestrzenny. Według obliczeń są też lejki w innych wymiarach, ale nadal są one dość małe, od 10 do minus 31 stopni centymetrów”- powiedział Siergiej Rubin.
Zdaniem naukowca, przez tunel czasoprzestrzenny hipotetycznie możliwe jest w przyszłości wysłanie ludzkości z umierającego wszechświata do innego, który dopiero zaczyna żyć. Aby to zrobić, nie jest konieczne wysyłanie tam osoby fizycznie - można tam przesłać informacje, na podstawie których nasza cywilizacja zostanie samodzielnie odtworzona w nowym Wszechświecie.